אנזימים: מה זה? & איך זה עובד?

בכל עת, ללא כל מחשבה מודעת ממך, טריליוני התאים בגופך עוברים מספר עצום של תגובות כימיות השומרות עליך בחיים ובאיזון. למרות שתגובות אלו עשויות לקרות בפני עצמן בהינתן מספיק זמן, שיעור זה לא יהיה מהיר מספיק לדרישות גוף האדם.

כתוצאה מכך, כמעט כל התגובות הביוכימיות נעזרות בחלבונים מיוחדים הנקראים אנזימים, שהם ביולוגיים זרזים שיכולים לגרום לתגובות להיות מהירות פי מיליון.

תפירת האנזימים גבוהה מאוד; רוב מאות האנזימים הידועים יכולים לזרז תגובה אחת בלבד, ואת רוב התגובות ניתן לזרז רק על ידי אנזים ספציפי אחד.

למרות ש חומצות גרעין מולקולה RNA (חומצה ריבונוקלאית) יכולה לפעמים לשמש כזרז שאינו אנזים, אנזימים אמיתיים הם חלבוניםכלומר שהם מורכבים משרשראות ארוכות של חומצות אמינו המקופלים לצורה מסוימת. בטבע יש 20 חומצות אמינו, אשר כל גופך דורש בכמות כלשהי.

הגוף שלך יכול להכין כמחצית מהם, ואילו את האחרים יש לבלוע בתזונה. אלה שאתה צריך לאכול נקראים חומצות אמינו חיוניות.

לכל חומצות האמינו אטום פחמן מרכזי המחובר לקבוצת חומצה קרבוקסילית (-COOH), אמינו (-NH₂) קבוצה ושרשרת צדדית, המכונה בדרך כלל "-R" בתרשימים כימיים.

שרשרת הצד קובעת את ההתנהגות הייחודית של חומצת האמינו. סדר חומצות האמינו בחלבון נקרא שלו מבנה ראשוני. מחרוזת של חומצות אמינו נקראת a פוליפפטיד; בדרך כלל כאשר מכנים מולקולה כזו, היא אינה חלבון מלא ופונקציונלי, אלא חתיכה אחת.

מיתרי חומצה אמינית יכולים לסדר את עצמם בתצורות דמויות ספירלה או דמויות יריעות; זה מכונה חלבון מבנה משני. כיצד המולקולה מסדרת את עצמה בסופו של דבר בתלת מימד, בעיקר כתוצאה מאינטראקציות חשמליות בין חומצות אמינו בחלקים שונים של המולקולה, מכונה מבנה שלישוני.

כמו בכל כך הרבה דברים בעולם הטבע, הצורה מתאימה לתפקוד; כלומר, צורתו של אנזים קובעת את התנהגותו המדויקת, כולל עד כמה הוא "מחפש" מסוים מצע (כלומר המולקולה שעליה פועל אנזים).

כיצד אנזימים מבצעים פעילות קטליטית? ניתן להפריד בין שאלה זו לשתי פניות בנושא.

האחת: כיצד, מבחינת התנועה הבסיסית של אטומים, האנזימים מאיצים את התגובות? ושניים: אילו מאפיינים מיוחדים במבנה האנזימים מאפשרים לזה לקרות?

הדרך שבה אנזים מאיץ את קצב התגובה היא על ידי החלקה של הנתיב בין תחילת התום לתום התגובה. בתגובות מסוג זה, מוצרים (למולקולות שנותרו לאחר סיום התגובה) אנרגיה כוללת נמוכה יותר מ- מגיבים (המולקולות המשתנות למוצרים במהלך התגובה).

כדי לגרום לתגובה להתגלגל, עם זאת, על המוצרים להתגבר על "גיבנת" אנרגטית, הנקראת אנרגיית הפעלה (ה_א).

תאר לעצמך שאתה על אופניים במרחק של קילומטר וחצי מהבית שלך, נקודה שנמצאת 100 מטר אנכית מעל הכניסה שלך. אם הכביש מטפס תחילה 50 מטר לפני שירד במהירות 150 מטר כדי להגיע לחניה, ברור שאתה צריך לדווש לזמן מה לפני שתוכל להתחיל לחצות. אבל אם קטע הכביש פשוט מורכב משדרוג אחיד עדין באורך של חצי קילומטר, תוכלו לחוף לאורך כל הדרך.

אנזים, למעשה, הופך את התרחיש הראשון לשני; ההבדל בגובה הוא עדיין 100 מטר, אך הפריסה הכוללת אינה זהה.

ברמת שיתוף הפעולה המולקולרי, תרכובת המצע האנזים מתוארת לעיתים קרובות במונחים של a יחס "נעילה ומפתח": החלק של מולקולת האנזים הנקשר למצע, הנקרא אתר פעיל, מעוצב כך שהוא כמעט מושלם להשתלב במולקולת המצע.

כמו שהחלקת מפתח למנעול וסיבובו גורמת לשינויים במנעול (כמו למשל התנועה של זרבובית), זרז משיג פעילות אנזימטית על ידי שינוי במולקולת המצע צוּרָה.

שינויים אלה יכולים לגרום להחלשה של קשרים כימיים במצע באמצעות עיוות מכני, נותן למולקולה מספיק "דחיפה" או "טוויסט" כדי לנוע לעבר צורת המוצר הסופי.

לעתים קרובות, המוצר לעתיד קיים ב- מצב מעבר בינתיים, שנראה קצת כמו המגיב וקצת כמו המוצר.

מודל קשור הוא ה- התאמה מושרה מוּשָׂג. בתרחיש זה, האנזים והתשתית אינם מתאימים באופן מושלם לנעילה ולפתח, אלא עצם העובדה שלהם במגע גורם לשינויים בצורת המצע המייעלים את המצע האנזים הפיזי אינטראקציה.

השינוי במצע גורם לו להיות דומה יותר למולקולת מצב מעבר, אשר לאחר מכן משתנה לתוצר הסופי ככל שהתגובה נעה קדימה.

למרות שהם רבי עוצמה, אנזימים, כמו כל המולקולות הביולוגיות, אינם בלתי מנוצחים. רבים מאותם מצבים הפוגעים או הורסים מולקולות אחרות, כמו גם תאים ורקמות שלמות, יכולים להאט את פעילות האנזים או למנוע מהם לעבוד לחלוטין.

כפי שאתה בוודאי יודע, שלך טמפרטורת הגוף חייבים להישאר בטווח צר (בדרך כלל כ- 97.5 עד 98.8 מעלות פרנהייט) כדי שתישאר בריאים. אחת הסיבות לכך היא שאנזימים מפסיקים לעבוד כראוי אם טמפרטורת הגוף עולה מעל לרמה זו - מה שאתם תופסים כחום.

כמו כן, מצבים חומציים מאוד עלולים לשבש את הקשרים הכימיים של האנזים. נקרא נזק כזה שקשור לטמפרטורה ול- pH דנטורציה של האנזים.

בנוסף, כפי שניתן היה לצפות, עלייה בכמות האנזים נוטה להאיץ תגובה עוד יותר, בעוד ירידה בריכוז האנזים מאטה אותה.

באופן דומה, הוספת מצע נוסף תוך שמירה על כמות האנזים זהה מזרזת תגובה עד שהאנזים "ממקסם" ואינו יכול לטפל בכל המצע הקיים.

נניח שאתה יוצא לטיול אופני קרוס-קאנטרי ונתמך בדרך על ידי חברים שנותנים לך שתייה ובגדים טריים מטנדר.

החברים שלך יזדקקו לתמיכה בעצמם במהלך המסע, כמו דלק לרכב ואוכל לצוות.

אם אפשר לחשוב על הטיול שלך כ"תגובה "וצוות הטנדרים הוא" האנזים "ש"מזרז" את המסע שלך, אז אפשר לחשוב על חנויות מזון בדרך. קואנזימים - פנימה בִּיוֹכִימִיָה, חומרים שאינם אנזימים, אך דרושים לאנזימים כדי לבצע בצורה הטובה ביותר את עבודתם.

כמו מצעים, קואנזימים נקשרים לאתר האנזימים הפעיל, שם המצע נקשר, אך הם אינם נחשבים מצעים עצמם.

קואנזימים מתפקדים לעיתים קרובות כמובילי אלקטרונים, או כמיקומי עגינה זמניים לאטומים או לקבוצות פונקציונליות המועברים בין מולקולות בתגובה הכוללת. גורמים הן מולקולות אנאורגניות כגון אבץ המסייעות לאנזימים באורגניזמים חיים, אך בניגוד לקואנזימים, הן אינן נקשרות לאתר הפעיל של אנזים.

דוגמאות נפוצות קואנזימים לִכלוֹל:

• קואנזים א, או CoA, אשר נקשר לאצטט ליצירת CoA אצטיל, חשוב בנשימה התאית, המייצר אנרגיה לתאים מגלוקוז הסוכר;
• ניקוטינמיד אדנין דינוקלוטיד (NAD) ו- פלבין אדנין דינוסלוטיד (FAD), שהם נשאי אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה התורמים גם לנשימה תאית;
• pyridoxal פוספט, או ויטמין B6, שמעביר קבוצות אמיניות בין מולקולות.